Pedoman untuk Desain RF dan Microwave

Sirkuit RF dan gelombang mikro sekarang menjadi beberapa desain PCB paling umum di industri elektronik, yang dikenal karena kemampuannya menangkap frekuensi yang lebih tinggi daripada sirkuit normal. Sebelumnya terlalu mahal untuk dibuat untuk apa pun di luar industri militer dan kedirgantaraan, sirkuit RF dan gelombang mikro sekarang menjadi bagian integral dalam berbagai produk komersial dan profesional, khususnya perangkat komunikasi nirkabel seperti ponsel, penyiar satelit, dan jaringan nirkabel. Namun, dengan frekuensi yang lebih tinggi, muncul lebih banyak tantangan desain.

Untuk memastikan rangkaian RF dan gelombang mikro frekuensi tinggi ini berhasil, pemasok harus mempertimbangkan beberapa teknik desain RF dan gelombang mikro untuk PCB.

Dasar-dasar PCB RF dan Microwave

Cara paling sederhana untuk menggambarkan RF dan microwave PCB adalah bahwa mereka mengandung komponen yang membawa sinyal RF atau gelombang mikro. Sinyal ini bervariasi dalam frekuensi, dan perbedaan frekuensi menentukan perbedaan komponen antara RF dan microwave PCB dan jenis PCB lainnya. Namun, memahami dasar-dasar frekuensi RF dan gelombang mikro adalah langkah pertama untuk memahami desain PCB RF dan desain PCB gelombang mikro.

Intinya, sinyal elektronik adalah kuantitas yang bervariasi dari waktu ke waktu dan mengkomunikasikan beberapa jenis informasi. Besaran yang bervariasi biasanya berupa tegangan atau arus. Sinyal ini diteruskan antar perangkat sebagai cara untuk mengirim dan menerima informasi, seperti audio, video, atau data yang disandikan. Meskipun sinyal ini sering ditransmisikan melalui kabel, sinyal ini juga dapat diteruskan melalui udara melalui gelombang frekuensi radio, atau RF.

Gelombang frekuensi radio ini bervariasi antara 3 kHz dan 300 GHz, tetapi dibagi lagi ke dalam kategori yang lebih kecil demi kepraktisan. Kategori ini meliputi:

• Sinyal Frekuensi Rendah: Ini adalah sinyal yang ditangani oleh sebagian besar komponen analog tradisional, dan termasuk sinyal dengan frekuensi hingga 50 MHz.

• Sinyal RF: Sementara frekuensi radio, atau RF, sinyal secara teknis mencakup berbagai frekuensi sinyal, perancang sirkuit menggunakan istilah ini dalam lingkup yang lebih sempit. Dalam bidang ini, frekuensi sinyal RF biasanya berkisar antara 50 MHz hingga 1 GHz. Ini adalah frekuensi sinyal yang sama yang digunakan dalam transmisi AM/FM.

• Sinyal Gelombang Mikro: Sinyal gelombang mikro menampilkan frekuensi di atas 1 GHz. Batas atas sinyal ini adalah sekitar 30 GHz. Ini adalah gelombang mikro yang sama yang digunakan untuk memasak makanan kita dalam oven microwave. Mereka juga digunakan untuk mengkomunikasikan sinyal bandwidth yang sangat tinggi.

Sinyal yang dijelaskan di atas termasuk dalam kategori sinyal analog, meskipun sinyal RF dan gelombang mikro secara signifikan lebih tinggi daripada kebanyakan sinyal analog standar yang digunakan dalam desain PCB tradisional. Sinyal analog secara inheren berbeda dari sinyal digital, dan setiap kategori memerlukan komponen yang berbeda untuk menangani sinyalnya. Sinyal-sinyal ini dijelaskan secara lebih rinci di bawah ini:

• Sinyal Analog: Sinyal analog bervariasi terus menerus dari waktu ke waktu, dan ketika Anda melihat sinyal ini pada grafik, itu muncul sebagai gelombang halus. Pada gelombang ini, ada kemungkinan nilai yang tidak terbatas dalam kisaran nilai maksimum dan minimum yang terbatas. Sebagian besar komponen elektronik (resistor, kapasitor, transistor, dll.) beroperasi dengan sinyal analog, meskipun sirkuit analog murni jauh lebih sulit untuk dirancang daripada PCB digital. Ini sebagian besar karena kerentanan mereka terhadap kebisingan dan masalah lainnya. Sinyal analog standar biasanya berada di antara DC dan 100 MHz atau lebih, tetapi frekuensinya sangat bervariasi. Sinyal RF pada dasarnya adalah sinyal analog.

• Sinyal Digital: Tidak seperti sinyal analog, sinyal digital beroperasi dengan serangkaian nilai yang terbatas. Jumlah nilai dalam himpunan ini bisa sangat besar, tetapi tidak terbatas. Adalah umum untuk melihat sinyal digital ini beroperasi dengan dua nilai, tetapi sinyal hanya dapat menjadi salah satu dari dua nilai tersebut pada satu waktu. Saat melihat jenis sinyal ini dari waktu ke waktu, gelombang yang diciptakan oleh perubahan sinyal berbentuk persegi, bukan kontinu. Sinyal digital mungkin mencoba untuk mereplikasi gelombang halus dari sinyal analog, tetapi gelombang digital ini akan selalu terdiri dari langkah-langkah diskrit daripada kurva halus. Sinyal diskrit ini, bagaimanapun, berarti sirkuit digital lebih mudah dirancang daripada sirkuit analog, meskipun biasanya lebih mahal.

Adalah umum untuk menemukan kedua sinyal yang beroperasi dalam satu sirkuit, dengan komponen yang dirancang untuk mengubah sinyal dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Namun, jenis sirkuit ini harus dirancang dengan hati-hati, terutama ketika komponen analog menangani sinyal frekuensi tinggi seperti sinyal RF. Semakin tinggi frekuensinya, semakin besar potensi masalah, seperti kebisingan.

Masalah dan Solusi Umum untuk Desain PCB RF dan Microwave

Tata letak PCB dengan sirkuit RF atau microwave cenderung jauh lebih sulit untuk dirancang daripada PCB analog atau digital biasa. Ini karena beberapa fitur dan kualitas yang lebih bermasalah terkait dengan sinyal RF. Saat mendesain RF atau Microwave PCB, perhatikan poin dan masalah berikut ini.

Dasar-dasar Desain PCB

Pertama-tama, PCB RF dan microwave harus dirancang untuk meminimalkan potensi kesalahan selama proses perakitan. Beberapa pedoman desain tata letak RF paling dasar meliputi:

• Memisahkan Bagian: Jika papan memiliki beberapa jenis komponen, seperti komponen analog, RF, dan digital level rendah, komponen tersebut harus disimpan terpisah. Ini tidak hanya lebih mudah bagi perancang untuk mengelola, tetapi juga meminimalkan potensi masalah bencana selama tahap perakitan.
• PCB Multilayer: Idealnya, RF dan microwave PCB harus mencakup lebih dari satu lapisan. Lapisan atas harus mencakup tahap daya serta jalur dan komponen sinyal RF. Pastikan bahwa jika Anda memiliki PCB multilayer, ada lapisan ground di bawah lapisan mana pun yang mencakup jalur sinyal RF atau gelombang mikro.
• Sensitivitas terhadap Kebisingan: Perancang RF dan microwave PCB harus memahami seberapa sensitif sinyal frekuensi tinggi ini terhadap noise. Sementara sebagian besar desainer terbiasa bekerja dengan sensitivitas seperti itu dalam sinyal digital berkecepatan tinggi, mereka harus lebih berhati-hati dengan sinyal RF dan gelombang mikro, karena mereka bahkan lebih sensitif. Sinyal-sinyal ini juga rentan terhadap berbagai jenis kebisingan yang lebih luas. Sensitivitas yang ekstrem ini berarti segala kemungkinan gangguan sinyal, pantulan, atau dering harus dikurangi.

Kebisingan adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan variasi tegangan yang tidak diinginkan, yang menghasilkan kesalahan dan masalah fungsional dalam rangkaian. Kebisingan datang dalam berbagai bentuk dan termasuk dalam kategori berikut sesuai dengan distribusi frekuensi:

• Kebisingan Putih: Ini adalah jenis kebisingan yang menambahkan semua frekuensi secara merata.
• Kebisingan Merah Muda: Pink noise tidak menghasilkan respons datar, melainkan berosilasi dengan frekuensi yang meningkat.
• Kebisingan Band Terbatas: Pita frekuensi derau ini dibatasi oleh filter atau sirkuit yang dilaluinya.

Kebisingan RF dapat berasal dari sejumlah sumber, yang juga dikategorikan menurut jenisnya. Ini dijelaskan di bawah ini, bersama dengan solusi untuk setiap jenis kebisingan:

• Kebisingan Termal: Juga disebut kebisingan Johnson atau Johnson Nyquist, kebisingan semacam ini adalah hasil dari agitasi termal. Gangguan termal ini mempengaruhi pembawa muatan dalam konduktor, menggairahkan mereka lebih dari yang dimaksudkan, sehingga menghasilkan kebisingan. Masalah seperti itu biasanya dapat diselesaikan dengan meminimalkan efek suhu pada sirkuit, seringkali dengan mengatur suhu melalui sistem pendingin di sekitar sirkuit atau fitur pembuangan panas pada sirkuit itu sendiri.
• Suara Bidikan: Kebisingan ini berasal dari fluktuasi arus listrik dari waktu ke waktu, yang disebabkan oleh sifat muatan elektron yang diskrit. Karena kebisingan ini disebabkan oleh aliran arus, sulit untuk dihilangkan, meskipun resistor logam cenderung meminimalkan kemunculannya. Untungnya, suara tembakan hanya terlihat di perangkat seperti sambungan terowongan dan dioda penghalang.
• Kebisingan fase: Jenis kebisingan RF ini terlihat pada sinyal frekuensi radio, dan dapat secara signifikan mempengaruhi kinerja sistem. Kebisingan ini muncul sebagai fase jitter, atau fluktuasi, di dalam sinyal itu sendiri, yang bermanifestasi sebagai pita samping yang menyebar ke setiap sisi sinyal atau pembawa. Ini bisa menjadi jenis gangguan yang sangat bermasalah saat membawa informasi digital, karena gangguan fase dapat menurunkan tingkat kesalahan bit dan, oleh karena itu, kualitas data yang ditransmisikan. Sinyal yang lebih bersih adalah cara terbaik untuk mengurangi kebisingan ini, yang harus diperhitungkan di awal proses desain.
• Suara Kedip: Disebut juga noise 1/f, noise ini terjadi di hampir semua elektronik dan biasanya disebabkan oleh aliran arus searah. Ini sebanding dengan kebalikan dari frekuensi sinyal, tetapi memanifestasikannya mirip dengan kebisingan fase. Memproses sinyal melalui filter khusus biasanya akan membantu mengurangi gangguan semacam ini.
• Suara longsoran salju: Kebisingan ini disebabkan oleh dioda sambungan yang beroperasi terlalu dekat ke titik kerusakan longsoran salju. Akibatnya banyak noise yang dihasilkan pada dioda. Menghilangkan suara longsoran salju ini semudah menggunakan filter berbasis kapasitor atau menghaluskan jaringan.

Banyak noise dapat dikurangi dengan filter band pass yang sesuai, yang mentransmisikan sinyal dalam "band yang diminati". Hanya sinyal dalam rentang frekuensi tertentu yang dapat melewati filter ini, sedangkan filter memblokir sisanya. Namun, ini tidak memecahkan masalah sinyal yang tidak akurat dalam rentang frekuensi. Idealnya, sumber kebisingan harus dihilangkan melalui salah satu metode di atas.

Pencocokan Impedansi

Pencocokan impedansi adalah persyaratan penting lainnya untuk PCB RF. Sementara sinyal digital berkecepatan tinggi agak toleran dalam hal pencocokan impedansi, semakin tinggi frekuensinya, semakin kecil toleransinya. Dengan sinyal RF dan gelombang mikro, toleransi ini sangat ketat.

Ada beberapa hal yang perlu diingat ketika Anda mempertimbangkan pencocokan impedansi dalam desain Anda. Ini termasuk yang berikut:

• Kehilangan Efek Kulit: Pada frekuensi yang lebih tinggi, elektron akan mulai mengalir di sepanjang permukaan luar konduktor. Ini disebut "efek kulit." Pada jejak, area kecil digunakan untuk menyalurkan elektron. Namun, corong ini juga menjebak beberapa elektron yang mengalir di luar konduktor, mengubah energi sinyalnya menjadi panas. Inilah yang disebut "kehilangan efek kulit." Kerugian ini paling baik diminimalkan dengan pencocokan impedansi yang tepat dan bahkan pelapisan PCB dengan emas.

• Jaga Panjang Garis Rendah: Semakin panjang jalur yang membawa sinyal RF/Microwave, semakin besar kemungkinan kehilangan sinyal. Idealnya, garis harus 1/20 dari panjang gelombang. Jika perlu lebih panjang dari 1/16 panjang gelombang, yang juga disebut panjang sinyal kritis, Anda harus menerapkan kontrol impedansi ke jejak tersebut dengan komponen L dan C ke ujung saluran.

Pengembalian Rugi

Return loss sering disebabkan oleh refleksi sinyal. Sayangnya, karena sinyal RF dan gelombang mikro lebih sensitif terhadap noise sinyal, return loss adalah masalah yang lebih menonjol. Sementara sinyal balik biasanya mengikuti jalur dengan resistansi paling rendah, sinyal frekuensi yang lebih tinggi cenderung mengambil jalur dengan induktansi terkecil. Jalur tersebut cenderung menyertakan bidang tanah di bawah sinyal asli.

Untuk meminimalkan return loss, ground plane harus kontinu dari driver ke receiver, jika tidak, sinyal return dapat melewati power plane lainnya. Karena jalur alternatif ini kurang ideal, jalur tersebut dapat menyebabkan gangguan sinyal yang signifikan melalui pantulan dan dering, atau bahkan hilang dalam bentuk panas.

Crosstalk

Crosstalk adalah transfer energi yang tidak disengaja antara konduktor, menghasilkan sinyal yang digabungkan. Transfer semacam itu biasanya merupakan hasil dari induktansi timbal balik dan kapasitansi shunt, dan insiden crosstalk cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya kepadatan dan kinerja PCB. Kedekatan konduktor, jarak di mana mereka berjalan paralel dan tingkat tepi garis aktif juga memainkan peran penting. Crosstalk cenderung menjadi masalah serius untuk desain frekuensi tinggi, seperti desain RF dan microwave, itulah sebabnya desainer harus melakukan apa yang mereka bisa untuk mencegah crosstalk.

Crosstalk harus diminimalkan sebanyak mungkin. Untungnya, ada banyak cara untuk melakukannya. Metode ini meliputi:

• Memisahkan Sinyal: Jarak dari pusat ke pusat idealnya sekitar empat kali lebar jejak sinyal.

• Minimalkan Garis Paralel: Jika garis benar-benar harus sejajar satu sama lain, jaga jarak di mana garis sejajar satu sama lain seminimal mungkin.

• Kurangi Jarak Dielektrik: Jarak dielektrik antara garis dan bidang referensinya harus diminimalkan.

• Memperkenalkan Struktur Co-Planar: Sisipkan bidang dasar di antara jejak.

• Hentikan Jalur: Mengakhiri saluran pada impedansi karakteristiknya dapat mengurangi pembicaraan silang sebanyak 50 persen.

Properti Laminasi

Sifat-sifat laminasi PCB dapat memiliki efek yang signifikan pada fungsionalitas PCB RF atau Microwave. FR4, misalnya, memiliki faktor disipasi yang lebih tinggi daripada laminasi frekuensi tinggi, yang berarti laminasi FR4 dapat menghasilkan kerugian penyisipan yang lebih tinggi saat frekuensi sinyal meningkat. Selain itu, konstanta dielektrik, atau nilai Dk, dari FR4 cenderung lebih tinggi dan lebih bervariasi daripada laminasi frekuensi tinggi. Nilai FR4 Dk dapat bervariasi sebanyak 10 persen, yang pada gilirannya mengubah impedansi.

Kehilangan dielektrik adalah masalah umum yang terkait dengan sifat-sifat laminasi. Mirip dengan kehilangan efek kulit, kehilangan dielektrik terjadi ketika elektron mengalir melalui konduktor dan memantul dari elektron substrat PCB FR4. Selama interaksi elektron ini, sebagian energi sinyal dari elektron yang mengalir ditransfer ke elektron FR4, yang pada gilirannya mengubah energi menjadi panas. Kehilangan semacam ini dapat dihindari dengan menggunakan substrat dengan faktor disipasi yang sangat rendah, seperti polytetrafluoroethylene Teflon, yang memiliki faktor disipasi sekitar 0,001 dibandingkan dengan faktor disipasi FR4 sebesar 0,02.

Dapatkan Lebih Banyak Dari Desain PCB Anda dengan Millennium Circuits Limited

Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut tentang Desain PCB, atau jika Anda ingin mencari pemasok PCB terbaik, Millennium Circuits Limited (MCL) adalah pilihan terbaik di industri ini.

Sejak 2005, MCL telah mendedikasikan dirinya untuk fabrikasi papan PC berkualitas, dan sekarang, lebih dari sepuluh tahun kemudian, kami masih mendedikasikan diri untuk tujuan itu. Saat ini, MCL adalah perusahaan fabrikasi papan PCB volume tinggi bersertifikat ISO-9001 milik swasta terbaru yang berbasis di Harrisburg, Pennsylvania. Tujuan kami sekarang sesederhana saat kami memulai — menghasilkan PCB terbaik setiap saat. Apakah Anda memerlukan batch prototipe kecil atau pesanan PCB volume tinggi, kami dapat menyelesaikannya dengan cepat dan dengan kualitas produk setinggi mungkin. Kami memiliki fasilitas manufaktur di seluruh dunia, memungkinkan kami untuk membuat PCB Anda sesuai dengan anggaran dan jangka waktu Anda.

Saat Anda bermitra dengan MCL, Anda bekerja dengan perusahaan yang berusaha memberikan layanan terbaik kepada Anda, membangun hubungan kami dengan Anda sehingga Anda dapat merasa nyaman bekerja dengan kami. Sampai hari ini, MCL telah mencapai peringkat kepuasan 98% di antara para pelanggannya, dengan 99% pengiriman kami tiba tepat waktu. Itulah sebabnya lebih dari 400 perusahaan di seluruh dunia memilih untuk bekerja dengan MCL daripada perusahaan pemasok PCB lainnya.

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang apa yang dapat dilakukan MCL untuk Anda dan PCB berikutnya, hubungi kami hari ini.